“互联网+”背景下高校智慧校园技术系统建设框架设计*

2017-11-16刘邦奇孙曙辉

中国教育信息化 2017年21期

关键词：互联网+校园智慧

刘邦奇，孙曙辉

（1.首都师范大学教育学院，北京 100048；2.讯飞教育信息化研究院，安徽合肥 230088）

“互联网+”背景下高校智慧校园技术系统建设框架设计*

刘邦奇1,2，孙曙辉2

（1.首都师范大学教育学院，北京 100048；2.讯飞教育信息化研究院，安徽合肥 230088）

智慧校园是“互联网+”时代校园信息化发展的高级阶段和新的形态。本文在对“互联网+”背景下智慧校园的概念及特征分析的基础上，结合高等学校校园信息化发展实际，描述了高校智慧校园的总体架构模型，进而重点对智慧校园基础环境、智慧教育教学资源平台、智慧教学与研训平台、智慧管理与服务平台等技术系统建设框架和内容进行分析设计，为高校开展智慧校园建设规划设计提供借鉴。

“互联网+”；高等学校；智慧校园；技术系统建设

一、引言

智慧校园是“互联网+”时代校园信息化发展的高级阶段和新的形态。[1]自上个世纪末计算机和互联网技术在高校教育教学中推广应用，从早期的计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助管理（CAM），到后来基于校园局域网的网络化教学、网络课程资源建设共享，进入本世纪后基于校园基础支撑平台、各类管理业务系统的集成开发应用，各类高校广泛开展了数字化校园建设与应用。[2]“互联网+”时代，随着物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等新一代信息技术的出现和校园应用，高校校园信息化发展迈入崭新的发展阶段，智能感知的网络环境、云平台的支撑服务、大数据中心建设、业务系统的集成融合、一站式信息门户和可视化展现等，使高校信息化校园从数字校园阶段进入智慧校园发展的新阶段。[3][4]目前对智慧校园的研究大多还停留在概念、特征、应用需求方面，对具体建设方法和应用层面的研究还不够。本文在“互联网+”的时代背景下，尝试从智慧校园的技术系统架构和建设内容框架进行初步探讨。

二、智慧校园的定义及特征

1.定义

智慧校园是指利用 “互联网+”的思维方式和物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术手段，把学校里分散的、各自为政的信息化系统和资源整合集成为一个有机整体，构建的具有高度感知能力、协同能力和服务能力的新型信息化校园环境，为高校教学、科研、管理和服务提供网络化、智能化、一体化的支撑服务平台，促进教育教学系统结构性变革，提高教育教学质量与效能，促进学生和教师的成长与发展。[5][6]

2.技术特征

从技术的视角来看，“互联网+”时代的智慧校园具有以下主要特征：

（1）感知化。基于传感器、RFID、二维码、视频采集、卫星定位等感知技术和设备构建全面感知的校园环境，可随时随地感知、捕获和传递人员、设备及资源信息。

（2）数据化。针对学校教育过程中丰富多样的数据信息，利用大数据和学习分析技术，对教育教学过程中的动态数据进行收集、汇聚、分析和挖掘，实现更好的预测、决策和服务。

（3）网络化。基于校园网、物联网、无线网和移动互联网技术，实现多网融合，师生可以通过有线和无线随时随地访问网络资源，实现校园内人与人、人与物、物与物的互联互通。

（4）可视化。利用计算机图形学和图像处理技术，提供计算机辅助设计、虚拟仿真、增强现实、科学可视化等功能，呈现声音、动画、录像以及模拟的二维甚至三维景象。

（5）智能化。基于WEB3.0（智能网络）、系统自适应、智能控制等智能信息技术，通过对知识信息进行分析、计算、比较、判断、推理，实现智能化的资源推送和教学服务。

3.教育特征

从教育的视角来看，“互联网+”背景下智慧校园具有以下主要特征：[7]

（1）个性化。依托智慧校园富媒体教学资源和个性化学习空间，学生可以根据自己的个性特点选择所需要的学习内容、学习方法和学习时间，教师可以精准掌握学情，关注每个学生个性特点，进行个性化教学设计，采取一对一的沟通交流和辅导，真正实现因材施教。

（2）动态化。采取贯穿教学全过程的动态学习诊断与评价，如通过课前发布预习材料和作业进行预习测评、课中推送随堂测验进行实时检测评价、课后进行作业推送和在线反馈，实现了即时、动态、智能的诊断分析和评价反馈，促进互动交流。

（3）泛在化。基于无所不在的网络和各类智能终端设备，智慧校园表现出极大的开放性，实现任何人(Any One)可以在任何时间(Any Time)、任何地点(Any Where)、学习任何事情(Any Thing)，打破了以学校为中心、以课堂为中心的教学体系，支持自主学习、泛在学习。

（4）协作化。网络化、智能化校园环境为学习者、教育者提供了更多的人-人、人-机协作完成学习任务的机会，如基于互联网环境的在线合作学习，基于课堂云端的分组合作学习，基于网络空间、学习社区的师生互动、讨论式学习，等等。

（5）智慧化。基于智慧校园教育环境，提高教育教学全过程的针对性、科学性、有效性，通过智慧的教和智慧的学，帮助学习者实现符合个性特征的智慧成长，帮助教师实现专业化发展，实现学校智慧教育健康发展。

三、智慧校园的总体架构模型

高校智慧校园建设是一项内容复杂的综合系统工程，既包括校园信息化技术系统的建设，也包括各类教育教学业务应用，同时还包括组织体系、安全体系、运维保障和人员发展等机制建设。通过对多年来数字化校园建设的常用模式和技术架构分析，[8]结合“互联网+”时代云计算、大数据、网络融合等最新的技术理念和高等学校校园信息化发展实际，笔者构建了高校智慧校园建设的总体架构模型,如见图1所示。[9-11]

图1 高校智慧校园总体架构模型

根据总体架构模型，智慧校园总体架构的组成要素包括终端用户层、服务展现层、业务应用层、支撑平台层、数据资源层、基础设施层和管理保障体系建设等几大部分。其中为了适应技术和应用发展的要求，核心技术架构在传统云服务三层架构（IaaS、PaaS、SaaS）基础上进行拓展，增加了数据资源层（DaaS）和服务展现层（EaaS）；而终端用户层提供跨平台、跨系统服务，支持最新的多种网络终端设备接入；管理保障体系包括组织管理保障体系、信息标准规范体系、信息安全管理体系、运行维护保障体系。各核心技术层建设的主要内涵如下：

IT基础设施。在高校现有信息基础设施基础上升级改造，部署感知设备，搭建无线网络设施设备，引入移动互联网和物联网技术，实现多网融合，增加云计算资源和存储资源，实现虚拟化管理。

数据中心平台。建立基于学校私有云的校园数据中心，进行基础性的数据整合和治理，将各类结构化数据和非结构化数据进行统一的采集、存储，通过数据交换平台进行相应数据清洗、转换、加载，利用数据挖掘、数据分析提供高价值的数据服务。

基础支撑平台。主要为智慧校园建设提供统一的用户管理服务、统一身份认证服务、统一权限管理服务和应用中间件管理服务等，提供各类应用开发的集成环境（IDE），构成智慧校园基础平台的统一管理和公共支撑服务环境。

业务应用中心。划分学校教育教学应用的业务域，包括教学域、教学管理域、学工管理域、科研域、办公管理域、生活服务域等，重构各个域内的业务流程和业务模型，实现基于一体化应用管理，并提供应用注册、申请、审批、安装、卸载等平台管理功能。

服务展现平台。提供统一的门户展现平台，对于每一个不同角色的用户来说，呈现符合其角色身份的个性化门户，并可根据自己的个性需求和爱好进行定制，实现一站式登录和个性化的门户服务。实现一站式的移动信息门户，提供用户随时随地访问服务。

四、智慧校园技术系统建设主要内容框架

在高校智慧校园建设各项任务中，信息化技术系统建设是智慧校园建设与应用的基础和关键，其重点包括智慧校园基础环境建设、智慧教育教学资源建设、智慧教学与研训平台建设、智慧管理与服务平台建设等部分。这里对智慧校园技术系统建设的主要内容进行框架分析。

1.智慧校园基础环境

智慧校园基础环境是推进高校校园信息化发展的重要基石。通过升级改造以网络融合为重点的校园IT基础设施，构建学校私有云数据中心，完善校园信息化基础支撑平台，进一步优化智慧校园基础环境，全面提升高校智慧校园基础支撑能力。高校智慧校园基础环境建设的基本框架如图2所示。

图2 智慧校园基础环境内容框架

（1）校园网络基础设施。在高校数字校园已有网络基础上，根据未来智慧校园建设与应用的需求，对校园信息基础设施进行升级改造，逐步实现互联网、无线网、物联网融合互通，构建网络化、感知化、泛在化的校园IT基础环境。[12]加强骨干网络、Internet出口安全、网络认证管理、网络维护管理体系、网络行为审计、接入实名认证和非法追溯、IPv6下一代互联网等方面的升级改造。加快无线网络的建设和完善，适应PDA、手机、平板电脑等多种智能终端自由接入，实现在任何时间、任何地点、多终端移动上网。加强校园物联网建设，通过射频识别(RFID)、红外感应器等信息传感设备，实现智能化识别、监控和管理。

（2）高校私有云数据中心。搭建基于“云模式”的高校数据中心，为各院系、部门提供标准的信息资源存储、信息系统运行和信息资源服务。结合本院校实际，建设学校私有云，集中整合全校范围内的信息化基础硬件资源，利用先进的虚拟化技术将物理资源抽象整合，实现服务器和存储等资源的共享利用，提供高集成、高效率、智能化的云资源服务。应用动态资源分配和智能调度等手段，根据学校各类业务的不同特点，有所区别地面向全校所有单位提供基础软硬件服务，在保证业务需求的同时，提高资源利用能力，降低运维成本。

（3）信息基础支撑平台。搭建统一的数据交换共享和应用集成框架，实现高校现有数据资源、身份认证和访问界面的集成，解决过去业务系统分散建设带来的管理难度大、数据流转效率低、难以高效共享等瓶颈问题。一是构建全校统一的用户身份管理和授权管理平台，实现用户角色和组织机构统一化管理，各种应用系统间跨域的单点登录、单点退出和统一身份认证功能。二是搭建统一数据共享平台，收集、处理和存储各类共享数据，实现各个系统之间的数据集成和共享。三是构建统一的校园信息门户，提供一个支持信息访问、传递以及协作的集成化服务环境，通过统一的访问入口，实现各种应用系统的无缝接入和集成。

2.智慧教育教学资源建设

智慧教育教学资源建设与应用是智慧校园建设的重要任务，是开展信息化教育教学应用的基础。通过建设校本数字教学资源平台和共享服务机制，推进网络课程资源和仿真实训实习资源建设，建设数字图书和档案资源，并与国家、省市教育云资源平台和兄弟高校、科研机构、企业的共享资源平台互联互通，提升学校教育教学资源服务的能力。高校数字化教育教学资源建设的基本框架如图3所示。

图3 智慧教育教学资源建设内容框架

（1）校本教学资源平台。平台以校本资源为核心，提供对符合本校特色的教育教学资源整理分类、在线预览、存储管理和应用服务功能，建立校本资源库、个人资源库与专题资源库，实现对校内各种教育教学资源进行统一的管理与操作应用，并与国家、省、市教育云资源平台联接和校际共享。提供多媒体教学资源制作功能，提供先进的视音频、文档等教育资源制作工具，支持开发教学课件、教学课程和教育游戏。提供微课管理与应用服务功能，围绕教和学的活动需求，支持微课视频的制作、在线学习、笔记、评价与共享等应用，提供体系化、习题化与动态化微课资源服务。

（2）网络课程资源。根据各院校专业教学需要，建设网络精品课程、网络公开课、在线开放课程（MOOC、SPOC）、网络选修课等网络课程资源。通过建立网络课程学习平台或课程网站等方式，支持教师对网络课程进行在线维护、管理与共享，包括建立课程结构、课程内容和课程团队，支持课程教学实施等。支持学生对网络课程的检索与学习，支持网络课程对外共享，方便校内外学习者根据自身需要检索和学习网络课程，方便使用者相互学习与交流。支持对网络课程进行在线评审，建立网络课程评价体系，实现对网络课程在线使用过程和效果的评价。

（3）仿真实训实习资源。针对高校实践教学需要，建设多种类型的仿真实训资源，形成丰富的职业教育仿真实训数字化资源体系。重点突出专业类仿真实训资源建设，包括仿真实验软件、仿真实训软件和仿真实习软件等体现职业院校教学要求的软件，大力构建基于互联网、虚拟现实技术的仿真实训资源，包括桌面级虚拟仿真实训、沉浸性虚拟仿真实训、增强性虚拟仿真实训以及分布式仿真实训等软件，以便大范围共享应用。探索对特定专业主干课程进行全仿真的资源建设，对无法实际体验、参与或无法实地观察的实验、实习（训）环节，利用软件支持实习实训的导训过程，能在仿真环境引导下完成学习。

（4）数字图书和档案资源。针对本地区、本院校特点，搭建特色资源数字化的硬件和软件平台，构建具有地区行业职业特色、院校专业特色的数字教育资源体系。利用新技术新媒体提升数字图书服务的智能化水平，建立全校文献资源共建共享的文献集成管理系统，基于RFID智能识别技术构建虚拟馆藏文献定位系统，基于移动互联技术建立移动阅读系统，基于智能推送技术实现个性化服务。面向学校档案馆的核心业务，搭建档案信息采集、存储、归档、管理、检索和服务的智能环境，确保电子档案归档完整、准确、系统和快捷，提升档案管理数字化、智能化水平。

3.智慧教学与研训平台建设

智慧教学与研训平台是智慧校园的核心业务应用平台，是实现信息技术与教学科研深度融合、提高教育教学质量的基本手段。通过构建基于“云、网、端”运用的智慧课堂教学平台、在线互动学习平台和网络同步课堂，建立虚拟仿真实训平台和数字化创客空间，并与网络教研平台、网络科研平台对接，建立信息化、智能化的学习、教学和科研环境，促进教育理念和教学方式的深刻变革，全面提升高校教育教学质量。高校智慧教学与研训平台建设的基本框架如图4所示。

图4 智慧教学与研训平台建设内容框架

（1）智慧课堂教学环境。基于动态学习数据分析和“云、网、端”的运用，创建智能、高效的课堂环境。围绕个性化教与学，构建具备计算、存储、网络等功能，以教室为单元的高密无线局域网环境，支持跨系统的移动终端设备无线投射到教室的投影仪、大屏幕或学生手持设备中，实现全体师生在教室内高速、高效完成无障碍的交互。根据角色不同，建立教师和学生等类型移动终端，教师端提供教师进行智慧教学的基本工具，实现备、教、改、导、考、管的全场景教学应用服务；学生端为学生提供学习工具、任务工具、交互工具和考试工具等多种学习应用，并能够接受教师端的组织及控制。

（2）在线互动学习平台。借鉴国内外先进的在线学习平台功能和架构设计，借助互联网等信息技术，基于学习过程管理系统（LMS），搭建具有本院校特点的小规模限制性在线课程（SPOC）学习平台，实现学习内容和学习活动的组织、跟踪、评估、发送、呈现、管理，有效促进师生、生生间的交流互动。根据使用情况，适时将SPOC对外开放共享，建立对外服务的在线开放课程（MOOC）。基于移动互联网技术，构建相应的移动学习平台，支持多终端、多系统（包括 Android、iOS、Windows）的移动学习，打破教学时空的限制，实现“处处能学、时时可学”。

（3）虚拟仿真实训系统。针对高校实践性教学的需要，通过建立数学模型及载体计算机系统，利用物理效应模型及设备、部分实物组成仿真实训环境，对实际系统进行仿真，对现实操作环境进行模拟，实现对真实生产过程的模拟，模仿出真实的工作环境、工作程序和动作要求。基于虚拟仿真实训系统，让学生以角色扮演的方式参与互动，学习者可通过键盘、鼠标、操纵杆、手柄等简单设备实现对操作对象的交互操作，支持模拟生产、教学实训和考核鉴定等教学活动，为学生提供在线学习、考核、交流平台，并可实现实训实习活动过程的智能监控和信息管理。

（4）网络同步课堂。基于数码摄像和流媒体技术建立网络视频同步课堂，连接互联网的分处校内外（如学校、企业）两地的主从课堂，分别接受并投影对方课堂教学实况信号，实现同步教学、同步讨论。基于网络同步课堂，将企业生产现场（主课堂）的实况通过互联网实时传播到校内课堂（从课堂），让大家在学校就能观看到企业的现场生产情况，实现校企合作教学。基于直播与录播的方式实现优质教学资源的远程共享，学生可以通过多种终端设备随时随地展开学习，教师日后可以审视自己的教学行为，学校可以作为校本教研的讨论素材，开展灵活多样的评课活动。

（5）数字化创客空间。利用互联网和无线网络环境，建立职业院校数字化创客空间，打破传统实验室、图书馆的围墙界限，将服务延伸到大学生需求的任何时间、任何地点，将在物理空间实现的功能拓展至网络空间、虚拟空间，形成从创意、设计到制造的互联网创新学习环境。创客空间整合校内外相关的在线资源，为大学生创客提供各种学习资源服务，利用学校现有的公共平台、微信圈等建立创客学习、交流、讨论的虚拟场所，大学生创客可以根据自己兴趣或专长，加入到不同的虚拟社区，分享各种新经验、新技术、新观念，促进大学生合作、交流与分享。

（6）网络教研科研平台。搭建教师在线协同工作平台，提供对教师电子备课内容的管理及服务，提供丰富的备课模版、备课工具和相应的资源检索，支持教师开展电子备课、集体备课、协同教研活动，实现网络化的教研资源整合、教研活动组织、教研过程互动、教研内容展示。建设网络协同科研平台，整合各种实验资源、计算资源、科技文献资源、科研设备资源和专家学者资源，为教师搭建基于信息技术支持、与专家名师互动交流的网络协同空间，线上与线下科研活动密切结合，促进院校与科研院所、企业共享资源，支持网络科研模式和协同机制。

4.智慧管理与服务平台建设

智慧管理与服务平台是智慧校园业务管理和生活服务的重要平台。以网络协同办公平台为基础，通过建立智能化综合管理平台、智慧校园生活服务平台、校企合作信息服务平台，并建立高校教育大数据挖掘和分析平台，创新高校教育管理和生活服务模式，更好地服务学校广大师生和领导决策，提高高校教育信息化治理能力。高校智慧管理与服务平台建设的基本框架如图5所示。

图5 智慧管理与服务平台内容框架

（1）网络协同办公平台。整合优化办公业务流程，以电子化的方式实现公文收发、交换和存档的管理，支持学校实现电子公文一体化运转；提供审批管理功能，基于可自定义的电子表单与图形化工作流，实现远程电子审批，满足校内各式各样的事务审批需求；提供网上事件协作办理，通过请示汇报、任务下达、信息互通、任务互助、工作协调等事件处理，形成基于信息的协作办公模式；建立移动办公系统，基于智能移动终端的移动应用，全面支持多种客户端应用，实现出差、机场、公交、会议、家里全天候移动办公处理。

（2）智能化综合管理平台。基于校园基础支撑平台和现有各类管理业务系统，进行集成化建设，提升院校管理的一体化、智能化水平。系统能够适应院校各类管理业务需求，利用统一的业务应用集成平台和新一代信息技术手段，建立智能化的业务管理系统，如基于数据统计分析的人事综合管理系统，基于智能排课、智能评价的教学综合管理系统，基于资源整合、知识管理的科研综合管理系统，基于物联感知、智能监控的资产设备与安全综合管理系统等，支持高校管理流程优化与再造，提升管理效率与智能化水平。

（3）智慧校园生活服务平台。升级改造一卡通系统，实现一卡通数据传输网络化、用户终端智能化和结算管理集中化。建设智能可视化安全防范系统，建立音视频监控、入侵报警、电子巡更等系统模块，对监控区域实现全天候的实时监控，实现远程控制和报警联动等功能。建设校园节能管理系统，应用先进的能耗监测和技术手段，完成能耗数据的数字化采集、统计和分析，有效支撑院校的节能减排工作。搭建师生健康管理服务平台，实现健康物联网、健康云平台与优秀医疗资源的整合，面向个人提供多维度、多层次、一体化的健康管理服务。

（4）校企共享信息服务平台。基于分布式数据库技术和网络技术，集教学、科研、生产、培训等多种信息于一体，实现多行业、大容量、高水平的校企共享信息服务，提供校企信息发布服务功能。支持校企合作项目管理，包括校企合作信息发布、校企合作项目的申报管理、流程管理和数据统计、项目过程中的信息资源共享等管理。支持顶岗实习管理，包括学生顶岗实习的落实信息、顶岗实习过程管理、成绩评定等，支持学生、教师、实习单位间的互动交流。提供远程职业培训服务，为职业院校外学员职业技能的持续提升提供在线学习的服务，支持校企合作、开展社区终身学习和各类校外培训服务。

（5）大数据决策分析平台。建立大数据采集机制，采用“伴随式收集”方式，对教育及管理过程中产生的教育教学数据、用户访问行为数据、管理数据等统一采集、汇聚到平台中，形成学校教育大数据。提供大数据治理功能，利用技术手段在数据整合过程中对数据采集、转换、加载、使用、消亡的全生命周期进行实时质量监控和定期质量审计，确保数据的完整性、及时性、准确性。提供大数据决策分析和推送应用功能，利用数据分析和挖掘技术，从不同维度对各类大数据进行相关分析，进行在线数据分析和图形呈现，为学校科学决策提供数据支撑和智能化信息推送服务。